一种可随机读取的有源像素电路及其驱动方法与流程

本发明属于电路技术领域，具体涉及一种可随机读取的有源像素电路及其驱动方法。

背景技术：

传统的有源像素电路通常包含三个晶体管(重置开关晶体管trst、源极跟随器tsf和选择开关晶体管tsel)和一个光电二极管。如果将重置开关晶体管trst的栅极和漏极短接可以形成如图1的对数有源像素传感器(logarithmicactivepixelsensor,log.aps)。与普通的有源像素电路相比，log.aps的输出信号随着光强的变化呈对数变化，因此具有更宽的动态响应范围，一般至少100db以上。另外，log.aps不需要对传感器进行重置，电路简单，像素填充因子更大，操作也更快，更简单。同时，log.aps中每个像素是独立工作的且光电转换过程中不需要对光生电荷进行时间积分，所以在空间上和时间上可随机进行读取，空间上的随机读取性允许独立地读取和处理重要信号，使得传感器更加智能化，而时间上的可随机读取性则使得信号能更快速地被读取出来并进行处理，因此空间和时间的可随机读取性能使有效信号的读取速度更快。

但是，log.aps像素内部的器件连接方式却使得输出信号随着光照强度的增加而减小，使得后端的信号读出和处理电路需要进行重新设计。而且，正是由于log.aps输出与输入呈对数关系，所以传感器在弱光下的灵敏度比较低。最后，采用了三个晶体管的有源像素的设计也使得像素尺寸也难以进一步降低，进而影响到像素的灵敏度。

技术实现要素：

为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种可随机读取有源像素传感器电路，其能提高可随机读取有源像素传感器电路的灵敏度和动态范围。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

一种可随机读取的有源像素电路，包括：光电二极管、第一晶体管、第二晶体管、第一电源以及第二电源；

所述第一电源与所述第二晶体管的漏极连接且通过所述二极管与所述第一晶体管的漏极连接，所述第一晶体管的漏极与所述第一晶体管的栅极以及所述第二晶体管的顶栅连接，所述第一晶体管的源极接地，所述第二晶体管的底栅与所述第二电源连接，所述第二晶体管的源极为信号输出端。

与现有技术相比，本电路的有益效果是：在log.aps的基础上将源极跟随器和选择开关管这两个晶体管替换成一个晶体管，使传感器电路保留了log.aps的随机读取性能的同时，又能让输出和输入呈类线性的关系，使得传感器的弱光照下的灵敏度和动态范围得到提高，并且像素中有源器件数量的减少，也提高了像素的开口率和填充因子。

作为本发明的进一步改进，所述第一晶体管为单栅晶体管，所述第二晶体管为双栅晶体管。

作为本发明的进一步改进，所述光电二极管为n-i-p结构的二极管，所述第一晶体管和所述第二晶体管均为n型半导体器件，所述第一电源与所述光电二极管的阴极连接，所述光电二极管的阳极与所述第一晶体管的漏极连接。

作为本发明的进一步改进，所述光电二极管为p-i-n结构的二极管，所述第一晶体管、所述第二晶体管为p型半导体器件，所述第一电源与所述光电二极管的阳极连接，所述光电二极管的阴极与所述第一晶体管的漏极连接。

同时，本发明还提供了另一种可随机读取的有源像素电路，包括：光电二极管、第一晶体管、第二晶体管、第一电源以及第二电源；

所述第一电源与所述第一晶体管的漏极以及所述第二晶体管的漏极连接，所述第一晶体管的漏极与所述第一晶体管的栅极连接，所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的顶栅连接且通过所述光电二极管接地，所述第二晶体管的底栅与所述第二电源连接，所述第二晶体管的源极为信号输出端。

作为本发明的进一步改进，所述第一晶体管为单栅薄膜晶体管，所述第二晶体管为双栅薄膜晶体管。

作为本发明的进一步改进，所述光电二极管为n-i-p结构的二极管，所述第一晶体管、所述第二晶体管均为n型半导体器件，所述二极管的阴极与所述第一晶体管的源极、所述第二晶体管的顶栅连接，所述二极管的阳极接地。

作为本发明的进一步改进，所述光电二极管为p-i-n结构的光电二极管，所述第一晶体管、所述第二晶体管均为p型半导体器件，所述光电二极管的阳极与所述第一晶体管的源极、所述第二晶体管的顶栅连接，所述光电二极管的阴极接地。

本发明还提供了一种如上述的可随机读取的有源像素电路的驱动方法，包括如下步骤：

在所述可随机读取的有源像素电路处于工作状态时，向所述光电二极管施加电压，使所述光电二极管处于反偏状态，并在光照下产生光电流，使所述第一晶体管、所述第二晶体管工作在亚阈值区，从而使所述可随机读取的有源像素电路的输出电流与所述光电二极管的光电流呈幂函数关系。

与现有技术相比，本方法的有益效果是：使可随机读取的有源像素电路的输出电流与二极管的光电流呈幂函数关系，而达到传感器电路的输出信号和光强呈类线性关系，形成对数-指数像素电路，因此传感器的灵敏度和动态响应范围能同时得到优化。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为传统的对数有源像素电路的示意图；

图2为实施例一所述有源像素电路的示意图；

图3为实施例二所述有源像素电路的示意图；

图4为实施例三所述有源像素电路的示意图；

图5为实施例四所述有源像素电路的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本实施例公开了一种可随机读取有源像素电路，如图2所示，包括：光电二极管d、单栅薄膜晶体管tft1、双栅薄膜晶体管tft2，第一电源vdd与双栅薄膜晶体管tft2的漏极连接，且光电二极管d的阳极与单栅薄膜晶体管tft1的漏极连接，光电二极管d的阴极与第一电源vdd连接，单栅薄膜晶体管tft1的漏极与单栅薄膜晶体管tft1的栅极以及双栅薄膜晶体管tft2的顶栅连接，单栅薄膜晶体管tft1的源极接地，双栅薄膜晶体管tft2的底栅与第二电源vbg连接，双栅薄膜晶体管tft2的源极为信号输出端，第一电源vdd用于为光电二极管d提供反向偏置电压、第二电源vbg用于操控双栅薄膜晶体管。

在上述实施例中，光电二极管d为n-i-p结构的光电二极管，其可以采用非晶硅二极管或有机二极管等多种二极管或类似光电探测器。

在上述实施例中，单栅薄膜晶体管tft1的有源层材料、双栅薄膜晶体管tft2的有源层材料均为非晶硅、铟镓锌氧化物、n型有机半导体和n型低温多晶硅等n型材料的一种，用双栅薄膜晶体管tft2代替了logaps中的源极跟随器和选择开关管，减少像素内部器件的数量，提高像素的开口率和填充因子。

本实施例对电路进行改进，使像素在保持空间和时间上的可随机读取性的同时其输出与输入呈类线性正相关关系，方便后端信号读出和信号处理电路的设计。

接下来结合具体实施过程对本实施例做进一步解释，如下：

当传感器像素电路处于工作状态时，需将光电二极管d反向偏置，能使其进行感光，所以第一电源vdd、第二电源vbg均为外加偏压端口；而由于制作薄膜晶体管的a-si、igzo、n型有机半导体和n型低温多晶硅都是n型材料，一般需要施加正电压才能驱动，故采用n-i-p结构的光电二极管d，即阴极作为外偏压端口，阳极连接到tft1的栅极。传感器像素电路工作时，vdd为正偏压，光电二极管d处于反向偏置状态，此时光电二极管d中的光生载流子由于外偏压的作用，产生电子-空穴对并且分别向阴极和阳极运动，形成光生电流iphoto：

其中，q为元电荷，η0为二极管d的量子效率，p为光强，apd为二极管d的感光面积，λ为波长，r为反射系数，α和t分别为二极管d有源层的吸收系数和厚度，h为普朗克常数，c为真空中的光速。故流过二极管d的总电流则为：

ipd＝ids1＝idark+iphoto(2)

idark为暗态下二极管d处于反偏时的漏电流。

在单栅薄膜晶体管tft1中，栅极与漏极短接，所以栅极电压vgs与源漏极电压vds1相等：

vgs＝vds1(3)

使单栅薄膜晶体管tft1工作在亚阈值区，则根据薄膜晶体管亚阈值区电流公式，可得tft1的源漏电流ids1为：

其中，id01为vgs＝vt1且vds1＞＞kt/q时,单栅薄膜晶体管tft1的输出电流，vt1为单栅薄膜晶体管tft1的阈值电压s1为单栅薄膜晶体管tft1的亚阈值摆幅，k为玻尔兹曼常数，t为温度。当即vds1＞＞0.0258v(室温下)时，式(4)可简化为：

将上式(5)进行变换，可得单栅薄膜晶体管tft1源漏极电压vds1为：

又因为光电二极管d的阳极、单栅薄膜晶体管tft1的栅极和漏端、双栅薄膜晶体管tft2的顶栅这四个端口连接在一起，故有：

vtg＝vds1(7)

对于双栅薄膜晶体管tft2，其阈值电压vt2可表示为：

vt2＝vth0+γvtg(8)

其中，vth0为vtg＝0时tft2的阈值电压，γ为第二栅电压对阈值电压的控制系数。

调节vdg的大小，使双栅薄膜晶体管tft2工作于亚阈值区，则可得双栅薄膜晶体管tft2的亚阈值区输出电流ids2为：

其中，id02为vbg＝vt2且vds2＞＞kt/q时,双栅薄膜晶体管tft2的输出电流，s2为双栅薄膜晶体管tft2的亚阈值摆幅。当即vds2＞＞0.0258v(室温下)时，式(9)可简化为：

因此，该可随机读取有源像素传感器电路器最终的输出电流ids2与二极管d的光电流iphoto呈幂函数关系，即：

对于相同有源材料、相同制程工艺的薄膜晶体管，亚阈值摆幅基本不变，即s1≈s2，所以可得输出电流ids2与光强p呈幂函数关系，即：

ids2∝p^-γ

若n型双栅薄膜晶体管的顶栅电压对阈值电压的控制系数γ为-0.9～-2，则有源像素电路的输出电流与光强呈类线性关系。因此，对于一般的对数有源像素传感器来说，本实施例设计的基于n型半导体器件的有源像素电路保留了可随机读取的特性，并且因为该像素电路的输出与光强呈类线性关系，在弱光强下，输出电流随光强的变化更明显，因此具有更高的灵敏度和更宽的动态响应范围。

实施例二

本实施例公开了另一种可随机读取有源像素电路，如图3所示，其与实施例一的区别在于：光电二极管d为p-i-n结构的光电二极管，第一电源vdd与光电二极管d的阳极连接，光电二极管d的阴极与单栅薄膜晶体管tft1的漏极连接，第一电源vdd用于为光电二极管d提供反向偏置电压、第二电源vbg为双栅薄膜晶体管tft2的工作电压。

在上述实施例中，单栅薄膜晶体管tft1的有源层材料、双栅薄膜晶体管tft2的有源层材料均为p型低温多晶硅或p型有机半导体等p型材料的一种，用双栅薄膜晶体管tft2代替了logaps中的源极跟随器和选择开关管，减少像素内部器件的使用，提高像素的开口率并且简化了生产工艺。

接下来结合具体实施过程对本实施例做进一步解释，如下：

当传感器像素电路处于工作状态时，因为是由p-i-n型二极管和p型薄膜器件组成的，故第一电源vdd必须施加负偏压，才能让光电二极管d处于反向偏置状态并且薄膜晶体管处于工作状态。流过光电二极管d的总电流为：

ipd＝isd1＝idark+iphoto(11)

单栅薄膜晶体管tft1的栅极电压和源漏极电压也与式(3)相同，即栅极电压与源漏极电压相等。由p型薄膜晶体管亚阈值区的电流公式可得tft1的亚阈值电流isd1为：

其中，β1为单栅薄膜晶体管tft1的理想参数。当vds1＜＜-vsth1时，式(12)可简化为：

将式(13)进行变换，可得单栅薄膜晶体管tft1源漏极电压vds1为：

由公式(7)(8)可得双栅薄膜晶体管tft2的顶栅电压vtg和阈值电压vt2。同样地，调节vdg的大小，使双栅薄膜晶体管tft2工作于亚阈值区，则可得双栅薄膜晶体管tft2的亚阈值区输出电流isd2为：

当vds2＜＜-vsth2，式(14)可化简为：

因此，该可随机读取有源像素传感器电路最终的输出电流isd2与二极管d的光电流iphoto呈幂函数关系，即：

对于相同有源材料、相同制程工艺的薄膜晶体管，理想因子基本不变，即β1≈β2，所以可得输出电流isd2与光强p呈幂函数关系，即：

isd2∝p^-γ

若有源层材料为p型材料的双栅薄膜晶体管的顶栅电压对阈值电压的控制系数γ为-0.9～-2，则像素电路的输出电流与光强呈类线性关系。因此，该有源像素电路具有可随机读取、高灵敏度、宽动态范围的特点。

实施例三

本实施例公开了另一种可随机读取的有源像素电路，如图4所示，包括：光电二极管d、单栅薄膜晶体管tft1、双栅薄膜晶体管tft2、第一电源vdd、第二电源vbg，第一电源vdd与单栅薄膜晶体管tft1的漏极以及双栅薄膜晶体管tft2的漏极连接，单栅薄膜晶体管tft1的漏极与单栅薄膜晶体管tft1的栅极连接，单栅薄膜晶体管tft1的源极与二极管d的阴极连接，光电二极管d的阳极接地，单栅薄膜晶体管tft1的源极与双栅薄膜晶体管tft2的栅极连接，双栅薄膜晶体管tft2与第二电源vbg连接，双栅薄膜晶体管tft2的源极为信号输出端，第一电源vdd用于为单栅薄膜晶体管tft1提供工作电压、第二电源vbg用于操控双栅薄膜晶体管tft2。

在上述实施例中，光电二极管d为n-i-p结构的光电二极管。

在上述实施例中，单栅薄膜晶体管tft1的有源层材料、双栅薄膜晶体管tft2的有源层材料均为非晶硅、铟镓锌氧化物、n型有机半导体和n型低温多晶硅等n型材料的一种，用双栅薄膜晶体管tft2代替了logaps中的源极跟随器和选择开关管，减少像素内部器件的使用，提高像素的开口率并且简化了生产工艺。

接下来结合具体实施过程对本实施例做进一步解释，如下：

当传感器像素电路处于工作状态时，需将光电二极管d反向偏置，使其进行感光，所以第一电源vdd、第二电源vbg均为外加偏压端口；而由于制作薄膜晶体管的a-si、igzo、n型有机半导体和n型低温多晶硅都是n型材料，一般需要施加正电压才能驱动，故采用n-i-p结构的光电二极管d，即阴极作为外偏压端口，阳极接地。传感器像素电路工作时，vdd为正偏压，光电二极管d处于反向偏置状态，此时光电二极管d中的光生载流子由于外偏压的作用，产生电子-空穴对并且分别向阴极和阳极运动，流过光电二极管d的光电流和总电流与式(1)(2)相同。单栅薄膜晶体管tft1的栅漏电压、亚阈值区电流以及源漏电压则分别与式(3)、式(4)、式(6)相同。

因为光电二极管d的阴极、单栅薄膜晶体管tft1的源极、双栅薄膜晶体管tft2的顶栅这三个端口连接在一起，故有：

vtg＝vdd-vds1(17)

由公式(8)可得双栅薄膜晶体管tft2的阈值电压vt2。调节vdg的大小，使双栅薄膜晶体管tft2工作于亚阈值区，则可得双栅薄膜晶体管tft2的亚阈值区输出电流ids2为：

其中，id02为vbg＝vt2且vds2＞＞kt/q时,双栅薄膜晶体管tft2的输出电流，s2为双栅薄膜晶体管tft2的亚阈值摆幅。当即vds2＞＞0.0258v(室温下)时，式(18)可简化为：

因此，该可随机读取有源像素传感器电路器最终的输出电流ids2与二极管d的光电流iphoto呈幂函数关系，即：

对于相同有源材料、相同制程工艺的薄膜晶体管，亚阈值摆幅基本不变，即s1≈s2，所以可得输出电流ids2与光强p呈幂函数关系，即：

ids2∝p^γ

若有源层材料为n型的双栅薄膜晶体管的顶栅电压对阈值电压的控制系数γ为-0.9～-2，则像素电路的输出电流与光强呈类线性关系，对于一般的对数有源像素传感器来说，本实施例设计的有源像素图像传感器保留了可随机读取的特性，并且因为该传感器的输出与光强呈类线性关系，在弱光强下，输出电流随光强的变化更明显，因此具有更高的灵敏度和更宽的动态响应范围。

实施例四

本实施例公开了另一种可随机读取有源像素电路，如图5所示，其与实施例三的区别在于：光电二极管d为p-i-n结构的二极管，光电二极管d的阳极与单栅薄膜晶体管tft1的源极连接，光电二极管d的阴极接地，第一电源vdd用于为单栅薄膜晶体管tft1提供工作电压，第二电源vbg为双栅薄膜晶体管tft2提供工作电压。

在上述实施例中，单栅薄膜晶体管tft1的有源层材料、双栅薄膜晶体管tft2的有源层材料均为p型低温多晶硅或p型有机半导体等p型材料的一种，用双栅薄膜晶体管tft2代替了logaps中的源极跟随器和选择开关管，减少像素内部器件的使用，提高像素的开口率并且简化了生产工艺。

接下来结合具体实施过程对本实施例做进一步解释，如下：

当传感器像素电路处于工作状态时，因为是由p-i-n型的光电二极管和p型薄膜器件组成的，故第一电源vdd必须施加负偏压，才能让薄膜晶体管处于工作状态并且光电二极管d处于反向偏置状态。流过光电二极管d的总电流与式(11)相同。单栅薄膜晶体管tft1的栅极电压和源漏极电压也与式(3)相同，即栅极电压与源漏极电压相等。单栅薄膜晶体管tft1的栅漏电压、亚阈值区电流以及源漏电压则分别与式(3)、式(4)、式(14)相同。

因为光电二极管d的阳极、单栅薄膜晶体管tft1的源极、双栅薄膜晶体管tft2的顶栅这三个端口连接在一起，故有：

vtg＝vdd-vds1(20)

由公式(8)可得双栅薄膜晶体管tft2的阈值电压vt2。调节vdg的大小，使双栅薄膜晶体管tft2工作于亚阈值区，则可得双栅薄膜晶体管tft2的亚阈值区输出电流isd2为：

当vds2＜＜-vsth2，式(21)可化简为：

因此，该可随机读取有源像素传感器电路最终的输出电流isd2与二极管d的光电流iphoto呈幂函数关系，即：

对于相同有源材料、相同制程工艺的薄膜晶体管，理想因子基本不变，即β1≈β2，所以可得输出电流isd2与光强p呈幂函数关系，即：

isd2∝p^γ

若有源层材料为p型材料的双栅薄膜晶体管的顶栅电压对阈值电压的控制系数γ为-0.9～-2，则像素电路的输出电流与光强呈类线性关系。因此，该有源像素电路具有可随机读取、高灵敏度、宽动态范围的特点。

实施例五

本实施例公开了一种可随机读取的有源像素电路的驱动方法，其适用于实施例一-实施例四，包括如下步骤：

在可随机读取的有源像素电路处于工作状态时，向光电二极管施加电压，使光电二极管处于反偏状态，并在光照下产生光电流，使第一晶体管、第二晶体管工作在亚阈值区，从而使可随机读取的有源像素电路的输出电流与光电二极管的光电流呈幂函数关系，从而使可随机读取有源像素传感器电路的输出信号和光强度呈类线性关系，因此灵敏度和动态响应范围能同时得到优化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。